Java数据结构之队列

bobby_developer
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1. 队列

1.1 定义

队列（Queue）是一种经常使用的集合。Queue实际上是实现了一个先进先出（FIFO：First In First Out）的有序表。它和List的区别在于，List可以在任意位置添加和删除元素，而Queue只有两个操作：

  • 把元素添加到队列末尾；
  • 从队列头部取出元素。

超市的收银台就是一个队列：

image.png

在Java的标准库中，队列接口Queue定义了以下几个方法：

  • int size()：获取队列长度；
  • boolean add(E)/boolean offer(E)：添加元素到队尾；
  • E remove()/E poll()：获取队首元素并从队列中删除；
  • E element()/E peek()：获取队首元素但并不从队列中删除。

对于具体的实现类，有的Queue有最大队列长度限制，有的Queue没有。注意到添加、删除和获取队列元素总是有两个方法，这是因为在添加或获取元素失败时，这两个方法的行为是不同的。我们用一个表格总结如下：

image.png

System.out.println("print the data.");
Queue<Integer> linkQueue = new LinkedList<>();
linkQueue.add(1);
linkQueue.add(2);
linkQueue.add(3);
​
System.out.println(linkQueue.poll()); // 1
System.out.println(linkQueue.poll()); // 2
System.out.println(linkQueue.poll()); // 3
​
poll()和peek()为例来说说“获取并删除”与“获取但不删除”的区别

1.2 小结

队列Queue实现了一个先进先出（FIFO）的数据结构：

  • 通过add()/offer()方法将元素添加到队尾；
  • 通过remove()/poll()从队首获取元素并删除；
  • 通过element()/peek()从队首获取元素但不删除。

要避免把null添加到队列。

2. 优先队列

2.1 定义

我们知道，Queue是一个先进先出（FIFO）的队列。在银行柜台办业务时，我们假设只有一个柜台在办理业务，但是办理业务的人很多，怎么办？

可以每个人先取一个号，例如：A1、A2、A3……然后，按照号码顺序依次办理，实际上这就是一个Queue。

如果这时来了一个VIP客户，他的号码是V1，虽然当前排队的是A10、A11、A12……但是柜台下一个呼叫的客户号码却是V1。

这个时候，我们发现，要实现“VIP插队”的业务，用Queue就不行了，因为Queue会严格按FIFO的原则取出队首元素。我们需要的是优先队列：PriorityQueue。

PriorityQueue和Queue的区别在于，它的出队顺序与元素的优先级有关，对PriorityQueue调用remove()或poll()方法，返回的总是优先级最高的元素。

要使用PriorityQueue，我们就必须给每个元素定义“优先级”。我们以实际代码为例，先看看PriorityQueue的行为：

private void PriorityQueueTest(){
    PriorityQueue<Integer>  queue = new PriorityQueue<>();
    queue.add(5);
    queue.add(4);
    queue.add(7);
    queue.add(9);
    queue.add(11);
​
    int size = queue.size();
    for(int i=0;i<size;i++){
        System.out.println(queue.poll());
    }
}
​
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2.2 小结

PriorityQueue实现了一个优先队列：从队首获取元素时，总是获取优先级最高的元素。

PriorityQueue默认按元素比较的顺序排序（必须实现Comparable接口），也可以通过Comparator自定义排序算法（元素就不必实现Comparable接口）。

3. 双端队列

3.1 定义

如果把条件放松一下，允许两头都进，两头都出，这种队列叫双端队列（Double Ended Queue），学名Deque。

Java集合提供了接口Deque来实现一个双端队列，它的功能是：

  • 既可以添加到队尾，也可以添加到队首；
  • 既可以从队首获取，又可以从队尾获取。

我们来比较一下Queue和Deque出队和入队的方法：

image.png

对于添加元素到队尾的操作，Queue提供了add()/offer()方法，而Deque提供了addLast()/offerLast()方法。添加元素到对首、取队尾元素的操作在Queue中不存在，在Deque中由addFirst()/removeLast()等方法提供。

注意到Deque接口实际上扩展自Queue：

public interface Deque<E> extends Queue<E> {
    ...
}

因此，Queue提供的add()/offer()方法在Deque中也可以使用，但是，使用Deque，最好不要调用offer()，而是调用offerLast()：

Deque<String> deque = new LinkedList<>();
deque.offerLast("A"); // A
deque.offerLast("B"); // A <- B
deque.offerFirst("C"); // C <- A <- B
​
System.out.println(deque.pollFirst()); // C, 剩下A <- B
System.out.println(deque.pollLast()); // B, 剩下A
System.out.println(deque.pollFirst()); // A
System.out.println(deque.pollFirst()); // null

3.2 小结

Deque实现了一个双端队列（Double Ended Queue），它可以：

  • 将元素添加到队尾或队首：addLast()/offerLast()/addFirst()/offerFirst()；
  • 从队首／队尾获取元素并删除：removeFirst()/pollFirst()/removeLast()/pollLast()；
  • 从队首／队尾获取元素但不删除：getFirst()/peekFirst()/getLast()/peekLast()；
  • 总是调用xxxFirst()/xxxLast()以便与Queue的方法区分开；
  • 避免把null添加到队列。
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